Microbiologia Extremófilos

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INTRODUÇÃO
 A hipótese exobiológica, ou seja, a hipótese de que existe vida em outros locais do Universo é tão antiga quanto nossa civilização. Entretanto, muitos cientistas sempre foram veementemente fiéis à idéia de que a vida era concebida como um evento raro e um processo extremamente delicado, restrito necessariamente a certas condições muito especiais. Foi somente com a descoberta de uma nova classe de criaturas - os extremófilos - que esta visão se modificou. 
 O termo extremófilo foi usado pela primeira vez em 1974, por Mac Elroy para designar organismos que se proliferam em ambientes extremos. São organismos unicelulares capazes de viver e reproduzir-se em ambientes antes considerados demasiadamente "extremos" para permitir a vida. Nas últimas duas décadas diversos microrganismos foram descritos: bactérias capazes de viver em águas a até 113ºC, no gelo a -15ºC, sob centenas de atmosferas de pressão, em ambientes extremamente ácidos (ou alcalinos), de alta salinidade, quimicamente letais (com metano ou gás sulfídrico), ou até bactérias resistentes a doses de radiação acima do limite máximo tolerável para os seres humanos. Mais estranhos e interessantes ainda são os microrganismos litoquimioautotróficos, que vivem no interior de rochas a alguns quilômetros de profundidade e sobrevivem independentemente de oxigênio e luz solar.
 Em 1977, Carl Woese, da Universidade de Illinois, anunciou a descoberta de uma nova forma de vida entre os termófilos. Eles foram denominados Archaea ou Archaebacteria, o que significa "os antigos".
DESENVOLVIMENTO
As Archaebacterias possuem muitas características em comum com a bactéria e Eukarya. Contudo algumas propriedades lhe são específicas como a ausência de peptidoglicana nas paredes celulares, a ocorrência de lipídeos com ligações éter e de RNAs polimerases complexas. Além disso, seu DNA se apresenta na forma circular e covalentemente fechado, possui proteínas histonas, o ácido murâmico da parede celular está ausente, o RNA transportador iniciador é a metionina, a maioria dos genes não possui íntrons, possui operon, não há adição de “cap” e cauda poli-A no RNA mensageiro, possui plasmídeos, o ribossomo é sensível à toxina diftérica, possui várias RNA polimerases (8 a 12 subunidades cada), dentre outras características.
A árvore filogenética da Archaea bifurca-se em dois filos principais, denominados Crenarchaeota e Euryarchaeota. Um terceiro filo, Korarchaeota, ramifica-se próximo à raiz da árvore.
 O filo Crenarchaeota contém principalmente espécies hipertermófilas sendo que muitas delas são quimiolitotróficas autotróficas e, por seus habitats serem privados de formas de vida fotossintéticas, são produtoras primárias únicas em ambientes inóspitos 
 Os Crenarchaeotas hipertermofílicos tendem a se agrupar de maneira muito próxima,ocupando ramos curtos na árvore da vida, com base na seqüência do RNA ribossomal 16S. Esse fato sugere que esses organismos apresentam “relógios evolutivos lentos” e pouco evoluíram a partir do hipotético ancestral universal da vida. Em contrapartida, houve identificação de organismos relacionados aos Crenarchaeota hipertermofílicos habitando ambientes com baixas temperaturas que, do ponto de vista filogenético, mostraram-se mais evoluídos ocupando ramificações mais longas da árvore.
O filo Euryarchaeota compreende um grupo fisiológico diverso formado por Archaea metanogênicas - procariotos cujo metabolismo está ligado à produção de gás metano (CH4) – relacionadas a vários gêneros de procariotos extremamente halofílicos, as “halobactérias”. Os organismos metanogênicos, segundo estudos fisiológicos comparativos, são todos anaeróbios obrigatórios, correspondendo aos mais estritos de todos os anaeróbios, enquanto os halofílicos extremos são, em sua maioria, aeróbios obrigatórios. Os organismos hipertermófilos Thermococcus e Pyrococcus, o organismo metangênico Methanopyrus, que se ramificam próximos à raiz; e o Thermoplasma (procarioto desprovido de parede celular e portanto similar aos micoplasmas) também compõem o grupo do Eurychaeotas.
O terceiro filo denominado Korarchaeota teve seus membros inicialmente descobertos a partir de amostras de comunidades de uma fonte termal singular de Yellowstone, embora atualmente já existam em culturas laboratoriais. Tal grupo ainda não é reconhecido oficialmente na taxonomia, mas se ramifica próximo à raiz da árvore da Archaea e, por isso, suas propriedades podem revelar interessantes características de organismos remotos.
A maior parte dos procariotos do Archea são quimiorganotróficos, ou seja, utilizam compostos orgânicos como fonte de energia sendo o catabolismo da glicose realizado através da via de Entner-Doudoroff com discretas alterações ou pela via glicolítica , a conversão de acetato a CO2 pelo ciclo do ácido cítrico ou pela via do acetil-CoA e tanto o O2,S quanto outros podem atuar como aceptores finais de elétrons. 
Os autotróficos são amplamente disseminados nos Archeas e ocorrem em distintas formas. Os metanogênicos e vários hipertermófilos quimiolitotróficos incorporam o CO2 pela via do acetil CoA, já outros hipertermófilos fixam o CO2 pelo ciclo do ácido cítrico reverso ou ciclo do calvin.
Filo Euryarchaeota 
O filo Euryarchaeota é constituído por três grupos distintos: os halofílicos extremos, metanogênicos e hipertermófilos acidófilos.
As archeas halofílicas extremas ou halobacterias são constituídas pelos gêneros Halobacterium, Haloferax e Natronobacterium cujo habitat hipersalino (concentração de sal de 12-32% NaCl) caracteriza esse grupo.Esses ambientes hipersalinos são relativamente raros e mais freqüentes nas regiões quentes e úmidas do planeta e, apesar de aparentar um ambiente inóspito, outros microorganismos são encontrados em lagos salinos como a alga eucariótica Dunaliella.
 Dentre outras características, elas coram-se gram-negativamente, reproduzem-se por divisão binária, maioria é imóvel, possuem plasmídeos grandes, são quimiorganotróficas e, em sua maioria, aeróbicas obrigatórias, além de não formarem esporos ou outras estruturas de dormência.
As Archea halofílicas extremas necessitam de elevadas concentrações de Na+ para seu crescimento que não podem ser repostas por outro íon como o K+. Esses microorganismos tenderiam a desidratação devido ao gradiente osmótico em relação ao meio altamente hipertônico, mas seu equilíbrio osmótico é viabilizado pelo bombeamento de K+ para o meio intracelular que se acumula e fica mais concentrado que o próprio Na+ formando assim solutos compatíveis anuladores da tendência de desidratação celular. 
O Na+ atua como estabilizador da parede celular por anular as cargas negativas dos aminoácidos que compõem as glicoproteínas enquanto o k+ age nos componentes citoplasmáticos: O K+ é essencial para atividade das proteínas protoplasmáticas ácidas constituídas de pequenas quantidades de aminoácidos hidrofóbicos e lisina (aa básico).Ou seja, os componentes externos necessitam de altas concentrações de Na+ enquanto os internos, de K+.
Algumas espécies são capazes de sintetizar ATP através da mediação da luz sem envolvimento da clorofila, ou seja, não caracterizando o processo fotossintético. As archeas halofílicas extremas apresentam natureza fortemente pigmentada devido aos carotenóides vermelhos e alaranjados. Em condições de baixa areação, a bacteriorodopsina é sintetizada e inserida na membrana da archea e conjugada a uma molécula de retinal que é capaz de absorver luz e catalizar a formação da força pronto motiva. A bacteriorodopsina absorve preferencialmente o espectro da luz verde através da molécula de retinal que, após excitação, altera sua configuração de isômero trans para cis translocando um próton do citoplasma para superfície externa da célula. Assim o acúmulo de próton no extracelular aumenta força próton motiva até que a síntese de ATP ocorra através da translocadora ATPase.
Essa fonte de energia mostrou-se capaz de sustentaro crescimento lento desses organismos em condições anaeróbicas e em ausência de substratos orgânicos.
As arqueobactérias metanogênicas são encontradas nos gêneros Methanobacterium, Methanocaldococcus, Methanosarcina e apresentam elevada diversidade química de parede celulares como peptideoglicano, metanocondroitina e paredes do tipoS ;metabolismo anaeróbico obrigatório; crescimento ótimo em temperaturas muito elevadas ou muito reduzidas; e metabolismo energético relacionado com a produção de metano.
Há enorme diversidade de substratos para metanogênese (pelo menos doze distintos) divididos em três classes: do tipo CO2, substratos metil, e substratos acetotróficos.A primeira classe reduz CO2 a metano utilizando H2 como doador de elétrons.A segunda reduz substratos metil utilizando ou não o H2 como doador externo de elétrons.A terceira cliva acetato em CO2 e CH4 em uma reação denominada acetotrófica. 
 Os termofílicos acidófilos, Termoplasma, Ferroplasma e Picrophilus sendo capazes de crescer em ambientes com pH abaixo de zero.Os termoplasmas são quimiorganotrófico, aeróbicos facultativos, desprovidos de parede celular como os micoplasmas, crescem otimamente a 55ºC e pH 2 e algumas espécies possuem elevada mobilidade pela presença de múltiplos flagelos.A ausência de parede celular é compensada pela estrutura química singular da membrana celular constituída por um lipídeo tetraéter com unidades de manose e glicose semelhante a um lipolissacarídeo e glicoproteínas que conferem a estabilidade necessária em meios ácidos e elevadas temperaturas.Os ferroplasmas também são quimiorganotróficos,desprovidos de parede celular e acidófilos,mas não termófilos além de possuírem temperatura ótima de 35ºC.Eles oxidam Fe+2 a Fe+3 para obtenção de energia além da produção de ácido.Os picrophilos crescem otimamente em pH 7 chegando a sobreviver em pH -0.06 e apresentam parede celular composta de um arranjo incomum que confere impermeabilidade a ela em condições acidófilas.
Os hipertermófilos são formados pelos Thermococcus, Pyrococcus e Methanopyrus sendo relativamente raros dentro dos euryachaeotas e caracterizados pelo habitat em temperaturas superiores a 80ºC.
Thermococcus é um procarioto esférico encontrado em águas termais anóxicas altamente móveis devido à existência de tufos de flagelos polares, quimiorganotrófico anaeróbico obrigatório que cresce utilizando proteínas e misturas orgânicas complexas, enxofre como aceptor final de elétrons em temperaturas de 70-95ºC.Pyrococcus são semelhantes aos thermococcus, mas diferem em relação a temperatura exigindo temperaturas entre 70 e 106ºC. 
Os methanopyrus são metanogênicos em forma de bacilos sendo isolados em fendas hidrotermais submarinas a aproximadamente 2000m de profundidade. Apresentam temperatura ótima máxima de crescimento de 110ºC, produzem metano a partir de CO2 diferentemente dos metanogênicos comuns,apresentam elevada quantidade de derivados glicotíticos que agem como termoestabilizadores em concentrações superiores a 1M.
Filo Crenarchaeota 
Os crenarchaeotas vivem em ambos extremos térmicos: água fervente e água em ponto de congelamento sendo que a maioria cultivada é hipertermofila.São encontrados em ambientes terrestres como fontes ricas em enxofre(solfataras) que podem ser tanto levemente ácidos quanto básicos e ambientes marinhos como Antártida.
Os hipertermófilos de habitats vulcânicos terrestres correspondem aos gêneros Sulfolobus ,Acidianus e Thermoproteus que vivem em ambientes de até 100ºC.
Os sulfolobales sobrevivem em ambientes com até 90ºC e pH 1-5 e são quimiolitotróficos aeróbicos oxidando H2S ou Sº a H2SO4 e fixando CO2 como única fonte de carbono,apesar de também conseguirem crescer quimiorganotroficamente. Podem oxidar ferro ferroso a ferro férrico em altas temperaturas, propriedade essa utilizada na lixiviação de minérios de ferro ou cobre.
Os acidianus são aeróbicos facultativos e diferem substancialmente dos sulfolobus pela capacidade de crescerem anaerobicamente. Utilizam o Sº no seu metabolismo anaeróbico e aeróbico, no primeiro o Sº atua como doador de prótons e no segundo como aceptor de elétrons e apresentam temperatura ótima na faixa de 90ºC.
Os thermoproteales consistem de células bacilares anaeróbicas estritas cuja respiração é baseada em Sº que habitam fontes quentes de neutras a levemente ácidas. A maioria é quimiolitotrófica (dependente de H2) ou quimiorganotrófica (dependente de substratos complexos de carbono).
Os hipertermófilos de habitats vulcânicos submarinos representados pelos gêneros Pyrodictium, Pyrolobus, Ignicoccus, Staphylothermus são encontrados tanto em fontes termais de águas raras quanto em fendas hidrotermais de águas profundas.
Os pyrodictium e os pyrolobus possuem temperatura ótima de 100ºC e são quimiolitotróficos ou quimioorganotróficos.A espécie Pylolobus fumarii é atualmente o organismo mais termofílico dentre os conhecidos apresentando temperatura máxima de crescimento de 113ºC e sendo resistente a temperaturas superiores a essa.
Os desulfurococcus são organismos redutores de Sº, estritamente anaeróbicos e crescem em temperatura ótima de 85ºC. Já a temperatura ótima dos pyrobaculum é de 100ºC sendo que são capazes de realizar tanto respiração aeróbica quanto anaeróbica. Os iggnicoccus apresentam verdadeira membrana externa, mas incomum por se formar ligeiramente distante do citoplasma formando assim um periplasma maior até que o citoplasma, além de crescerem em temperatura ótima de 90ºC.
Termoestabilidade de Biomoléculas
A sobrevivência dos organismos hipertermófilos em elevadas temperaturas é garantida pela estabilidade de proteínas e de DNA já que em organismos não extremófilos ocorreria desnaturação das mesmas, inviabilizando a vida do microorganismo. 
Uma surpreendente descoberta, feita por Karl Otto Stetter, obrigou a extensão para cerca de 115ºC do limite superior da faixa de temperatura em que células vivas proliferam eficientemente. Entretanto, essa impressionante característica implica na estabilização de todos os componentes celulares e suas biomoléculas, mantendo sua funcionalidade. 
Embora a maioria das proteínas de hipertermófilos tenha estabilidade térmica elevada, quando isoladas, essas enzimas intracelulares, apresentam baixa estabilidade à temperatura ótima de crescimento do extremófilo. A observação sugere a presença de fatores extrínsecos contribuintes para a estabilização das biomoléculas e temperaturas elevadas. 
Em estudos recentes, foram isolados compostos que se acumulam no meio intracelular, sendo alguns destes compostos detectados exclusivamente em termófilos e hipertermófilos que, inclusive, demonstraram sua capacidade termoestabilizadora sobre uma variedade de proteínas. Além disso, acreditava-se na improvável existência de hipertermófilos aeróbios devido à baixa solubilidade de O2 a 100º C. Na década de 90, contudo, eles foram descobertos, levando em consideração que há aumento do coeficiente de difusão com o aumento da temperatura.
Em relação às vias metabólicas de carboidratos são sugeridos modificações em enzimas e também em substratos: em uma reação de fosforilação, ao invés de ATP utiliza-se ADP (particularidade metabólica encontrada em espécies da ordem Thermococcalles), por exemplo.
Dessa forma, várias pesquisas têm sido realizadas com o intuito de identificar as propriedades das proteínas termoestáveis. Sabe-se que, como todas as células, os hipertermófilos possuem chaperoninas, proteínas que atuam no redobramento de proteínas parcialmente desnaturadas. Em arqueabactérias do gênero Pyrodictim, por exemplo, a principal chaperonina denominada termossomo ajuda o organismo a sobreviver por uma hora em autoclave numa temperatura de 121ºC.
Outro mecanismo de sobrevivência é relacionado à estabilidade do DNA. Os hipertermófilos metanogênicos contêm grandes quantidades de 2,3-difosfoglicerato cíclico de potássio, que impede a desnaturação do DNA. Além disso, outros hipertermófilos produzem DNAgirase reversa, que introduz superenovelamentos positivos no DNA, em contraste ao superenovelamento negativo introduzido pela DNA girase normal. 
A estabilidade lipídica, outro fator contribuinte para a resistência de tais bactérias, deve-se à construção dos lipídios segundo o modelo dibifitamil tetraéter. De acordo com esse modelo, há resistência natural pelo fato de as unidades de fitanil originarem uma membrana do tipo monocamada. Sem esse constituinte membranáceo, o calor é capaz de romper a bicamada fosfolipídica formada por ácidos graxos. 
Embora, as hipertermófilas tenham desenvolvido meios para sobreviver em condições extremas, elas ainda não são completamente resistentes. Estudos de fumarolas negras (fendas hidrotermais), que chegam a 350ºC, mostraram que a água de 250º C encontrava-se estéril. Confirmando tal fato, estudos laboratoriais apresentavam destruição instantânea de importantes biomoléculas a essa temperatura, como o ATP. Portanto, dificilmente existem organismos capazes de sobreviver a temperaturas superiores a 150º C.
CONCLUSÃO
	
		
	O conhecimento das características estruturais e fisiológicas das bactérias extremófilas é de suma importância na tentativa de compreensão dos mecanismos adquiridos para tal resistência ao longo da árvore evolutiva.
	Embora algumas espécies de Archea habitem ambientes relativamente inócuos, como o intestino de animais de sangue quente, as Archea são predominantemente encontradas em ambientes extremos. Assim, novos estudos têm sido direcionados ao desenvolvimento de culturas que se proliferam otimamente em condições anteriormente consideradas impróprias para qualquer tipo de proliferação celular como locais de alta salinidade, elevados pH e temperatura(habitats vulcânicos submarinos).
	Assim, descobriu-se que a resistência desses microrganismos ao calor capaz de romper a bicamada lipídica, por exemplo, está relacionada com a monocamada lipídica formada segundo o modelo dibifitanil tetraéter. Além disso, outros fenômenos como o aumento compensatório do coeficiente de difusão do oxigênio pela menor solubilidade de oxigênio em altas temperaturas e presença de DNA girase reversa conferem a algumas bactérias o caráter extremofílico.
BIBLIOGRAFIA
MADIGAN, Michael. et al. Microbiologia de Brock. 10ª Edição. Prentice Hall, 2004.
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